Modelling biomass and nutrient flows in agro-food systems at the local scale

145 Pages·2017·3.82 MB·English

by  Hugo Fernandez Mena

Modelling biomass and nutrient flows in agro-food
systems at the local scale: scenario simulation and
assessment in a French case-study
Hugo Fernandez Mena
To cite this version:
Hugo Fernandez Mena. Modelling biomass and nutrient flows in agro-food systems at the local scale:
scenario simulation and assessment in a French case-study. Business administration. Université de
Bordeaux, 2017. English. ￿NNT: 2017BORD0960￿. ￿tel-01866072￿
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THÈSE PRÉSENTÉE POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR
DE L’UNIVERSITÉ DE BORDEAUX
ÉCOLE DOCTORALE : SCIENCES ET ENVIRONNEMENT
Par : HUGO FERNANDEZ MENA

TITRE :
« Modélisation des flux de biomasse et de nutriments dans les territoires agricoles.
Simulation et évaluation de scénarios appliqués à un cas d’étude en France. »
“Modelling biomass and nutrient flows in agro-food systems at the local scale.
Scenario simulation and assessment in a French case-study.”

SOUS LA DIRECTION DE :
Thomas Nesme Professeur, Bordeaux Sciences Agro
Sylvain Pellerin Directeur de Recherche, INRA
A l’unité ISPA : Interaction Sol Plante Atmosphère de l’INRA de Bordeaux Aquitaine

Soutenu le 19 Décembre 2017, devant le jury internationale composé de :
Rapporteur Sabine Houot Directrice de recherches, INRA, Paris, France
Rapporteur Oene Oenema Professeur, Wageningen University, Pays-Bas
Examinateur Agustin del Prado Researcher, BC3, Bilbao, Espagne
Examinateur Gilles Billen Directeur de recherches, CNRS, Paris, France
Examinateur Patrick Taillandier Chargé de recherches, INRA, Toulouse, France
Directeur Thomas Nesme Professeur, Bordeaux Sciences Agro, France
Co-directeur Sylvain Pellerin Directeur de recherches, INRA, Bordeaux, France

“Todo lo que puedas imaginar es real”
Pablo Picasso
PhD Abstract
Feeding the growing global population in a context of global change raises new challenges
for agriculture regarding its production efficiency and impacts on natural resources.
Solutions for towards farming sustainability require to improve nutrient and biomass
recycling in agro-food systems, i.e. to move from linear to more circular flows of fertilizers,
crop products, feedstuff, by-products and organic wastes. Innovative tools exploring
material exchanges between farms and their upstream and downstream partners in agro-
food systems at the local scale are needed. In the present work, the state of the art about
analysis methods, models and environmental tools addressing nutrient and biomass flows
at different scales is reviewed. The FAN (“Flows in Agricultural Network”) model, an
agent-based model that simulates a range of material flows among farms and their
partners within agricultural districts is developed. FAN processes are explained in details
and a sensitivity analysis to some key variables is performed. In addition, the FAN model
is applied to a French case-study to assess the performances of contrasted scenarios
aiming to enhance nutrient use efficiency, recycling strategies, biogas production and
system redesign. The outcomes from the scenario simulation are analyzed are assessed in
terms of food provisioning, nutrient cycling and greenhouse gas emissions. This work
shows the usefulness of prospective, agent-based tools for greater farming and food-chain
sustainability, to design and evaluate collective solutions for circular economy and to
account for interactions among economic actors within complex agro-food systems.

Keywords: nutrient flows, agro-food systems, nitrogen, agent-based model, circular
flows, agro-industrial ecology, local scale, organic waste recycling.
Résumé de la thèse
Nourrir une population mondiale croissante dans un contexte de changements globaux
pose de nouveaux défis à l’agriculture en termes d’efficience de production et d’impacts
environnementaux. Rendre les systèmes agro-alimentaires plus soutenables nécessite de
mieux recycler la biomasse et les nutriments, c’est-à-dire de tendre vers des flux de
fertilisants, de produits végétaux, d’aliments du bétail, de coproduits et de déchets plus
circulaires. À ce titre, il est nécessaire de développer de nouveaux outils pour mieux
explorer et évaluer les échanges de matières entre les fermes et leurs partenaires
économiques amont et aval dans les territoires. Dans le travail présent, l’état de l’art
concernant les méthodes d’analyse, de modélisation et d’évaluation environnementale des
flux de biomasse et d’éléments minéraux à différentes échelles est réalisé. Le modèle
multi-agents FAN (« Flows in Agricultural Network») qui simule les flux des matières
entre les fermes et leurs partenaires économiques dans les territoires agricoles a été
développé. Les processus de FAN sont expliqués en détail et une analyse de sensibilité des
variables clefs est présentée. Par ailleurs, le modèle FAN a été appliqué à un cas d’études
en France pour évaluer la performance des scénarios contrastés visant à améliorer
l’efficience d’utilisation des éléments minéraux, développer le recyclage de la matière,
favoriser la production du biogaz ou reconcevoir les systèmes de production. Les sorties de
simulations des scénarios sont analysées en termes de production alimentaire et
énergétique, de flux de matières et de logistique, de cycle des nutriments et d’émissions de
gaz à effet de serre. Ce travail montre l’utilité des outils de prospective et modèles multi-
agents pour améliorer la durabilité des systèmes agricoles et des chaines alimentaires,
pour créer et évaluer des solutions collectives tendant vers l’économie circulaire et pour
prendre en charge les interactions entre acteurs économiques au sein des chaines et
filières alimentaires complexes.

Mots clés : flux de nutriments, systèmes agro-alimentaires, azote, modèle multi-agents,
flux circulaires, écologie agro-industrielle, échelle du territoire, recyclage des produits
organiques.
Acknowledgements / Remerciements / Agradecimientos
This work was funded by INRA (Division of Environment and Agronomy) and Bordeaux
Sciences Agro. I received additional financial support for an international mobility in
Canada from Labex COTE of University of Bordeaux, and from Agreenium, France. I also
carried a collaboration with other researchers, including Graham K. MacDonald from
McGill University, and Benoit Gaudou from Université Toulouse Capitole I.
Tout d’abord, j’aimerais remercier mes encadrants, Sylvain et Thomas, pour avoir proposé
un sujet de thèse très intéressant et m’avoir fait confiance pour le mener à terme. Ils ont
garanti un bon suivi au long de ces trois ans, avec des conseils et remarques pertinents.
Également, ils m’ont poussé à m’intéresser à de sujets très divers, de l’économie circulaire
à la méthanisation, en passant par l’enseignement de l’agronomie. Dans le futur, j’espère
pouvoir compter sur leur expertise qui a été très précieuse.
Je voudrais remercier l’équipe de l’UMR ISPA (INRA/Bordeaux Sciences Agro) pour son
accueil toujours chaleureux, ses activités dynamiques et sa bonne ambiance de travail.
Premièrement, les directeurs et chercheurs, Laurence, Bruno, Laurent, Mark, Christian,
François, Alain, Pascal, André, Christophe, Jean-Yves, Nicolas et Valérie, etc. ; mais aussi
les doctorants et autres contractuels de l’unité et amis, Pietro, Marko, Bofang, Félix,
Rodolphe, John, Arthur, Rémi, Clément, Yoan, Emma, Manon, David, Roberto, Lee, Olaia,
Gerardo, et Andreas, pour tous nos moments de partage, autant dans le travail comme
dans le sport ou en soirée. En effet, la multiculturalité de l’unité montre son ouverture à
l’étranger et sa capacité à attirer de jeunes talentueux d’ici et d’ailleurs. Plus largement,
merci beaucoup à tous les membres du centre INRA de Bordeaux-Aquitaine, à l’équipe de
volley avec Tovo, Alain, Thomas, Johanna et d’autres avec leur bonne humeur toujours
sympathique, à l’équipe de basketteurs avec Lei, Lee, Mathieu, Jose, Nico, Steve et Marko,
et à l’atelier vélo pour son assistance toujours dans les moments d’urgence.
A great thank you to my Canadian colleagues from McGill University, in particular to
Graham, that invited me to work in his lab and from who I received always attention and
useful advice. Thanks to the water, land and food lab, for helping me to get by in Montreal,
for their beer time, their meals, coffee times and picnics. Great regards for Fanny, Aidan,
Sally, Amelia, Mira, Camille, Penny and Bernard. Special thanks to Dalal for showing me
her beehives and to Günther and Ranish, I really appreciated eating together, playing
Frisbee or getting soak in the jazz festival.
Je remercie mes colocataires, voisins et compagnie du 3 rue Deyriès, pour les repas et
soirées à la maison ou à la Cueva. À Marion, pour avoir supporté habiter avec un chercheur
fou, qui a pu t’amener à parler mille langues en même temps, t’inciter à faire des danses
impossibles et enfin à oublier les clefs pour rentrer à l’appartement. J’espère qu’un jour je
pourrais gouter un vin de ta marque, même s’il est fait en Argentine. À mes voisins Camille
et Antoine, pour être les chirurgiens les plus drôles de la planète, toujours là quand on est
en galère, peu importe qu’on se soit coupé un doigt ou qu’on ait rien à manger. Merci à
Angie, pour être le chien le plus bipolaire que je n’ai jamais rencontré, en étant toujours
respectueux à la maison, tu peux soit adorer courir avec moi, soit ne plus vouloir me voir.
À Marco, pour avoir bien gardé ma chambre pendant mon absence au Canada, grazie mille!
À Guillaume, qui j’espère pourra devenir le patron cool le plus renommé de la région
bordelaise, avec un bar et une auberge à Bordeaux pour les backpackers. À Pierre,
Hermine, Camille, Giacomo, Julie, Pauline, et autres amis qui nous ont bien accompagnés
et arrosés pendant ce temps.
Merci à mon ancienne colocataire Valentine, pour sa bonne humeur et amabilité. À ma
pote agroécologue Claire, pour militer pour la transformation de l’agriculture bordelaise,
nous montrer les musiques de rêves de l’aborigène et explorer les randonnées de la région.
À mes amis de la salsa, en particulier Edith, Marion, Nico et Hugo, pour les cours et soirées
latines de bordeaux. À mes copains musiciens, Rodrigo, Kevin et Alejandro, pour les
compositions et improvisations au Connemara. J’espère vous recroiser bientôt à vous tous.
A i miei amici italiani, Pietro, Michela, Marco, Elisa, Giaccomo, Annalisa, Fabrizio,
Antonio, Benedetta, Luca, Laura che mi hanno fatto scoprire la lingua e la gastronomia
italiana. Soprattutto un bacio a Michela, per i momenti indimenticabili vissuti insieme. Il
mio futuro mi manda in Italia per lavorare alla FAO. Alla fine tutte le strade portano a
Roma, e sarò in grado di applicare le conoscenze apprese. Ragazzi, venite trovarmi.
A mis amigos hispanohablantes de Burdeos, a los argentinos Facundo, Catalina y Martina,
que espero ver pronto. A Hugo, mi tocayo chileno, que fue el primero y seguramente el
último de los resistentes en la ciudad, pero también a los que hicieron un pasaje como yo,
a Roberto, Lorena, Víctor, Hector, Antonet, Ile, Pia, Mario, Noelia, Paula, Aitor, Nazaret.
Por las excursiones, las crisis de futuro incierto, las cenas en el Chicho, las noches de locas
en el trou duck y las bromas malas por el grupo de whatssap. Gran saludo a Marion, la
mejor profe de español de Francia. Espero veros a todos pronto.
A mis amigos paelleros de Montreal, a Andy, Guille, Daniele, Martina, Laura, Fatou,
Macarena, Claire, Luis, Cristina, Fernando, Peri, etc. Por hacerme descubrir Montreal,
con su cara multicultural, hípster, intelectual, artística, gastronómica y fiestera. Por las
salidas a por wagels, al café olímpico, a conciertos, festivales, picnics, deportes, cenas y,
por supuesto, paellas. Espero que guardemos el contacto.
Un gran recuerdo muy importante a mi familia, la que vive en España, México, en Francia,
en Estados Unidos y Canadá. A mis primos postizos Gabriela y Mauricio, por las aventuras
en España e Italia. A mi primita Carol y sus niñas Chloé y Mila en el sur Francia, por su
cariño y su buen ambiente ecológico y rural. A mis tíos y primos de México Lucila, Carlos,
Diego, Pablo y Sofía, a quienes extraño y debo una visita. A mis primos y tíos canadienses
Paco, Françoise, Stephanie, Louis-Étienne, Natalie, Jean-Charles, Xavier, Marco y los
primos de Ottawa, por su acogida por segunda vez, su buen humor, su atención con mi
mamá, sus visitas de lugares bonitos y su cariño.
Por último, pero no por ello menos importante, gracias a mis padres, a mi madre y a mi
padre, que me han acompañado todos estos años y animado a seguir en esta carrera
científica. Aunque esté lejos de casa, les quiero muchísimo.
Index
Introduction ..................................................................................................................................... 12
Agriculture altered global biogeochemical cycles .................................................................. 13
Agro-food system dependency on linear flows ........................................................................ 14
Circular flows in agro-food systems as a local solution ........................................................ 16
System under study ...................................................................................................................... 17
Research questions ....................................................................................................................... 18
Thesis structure ............................................................................................................................. 19
Chapter 1 .......................................................................................................................................... 22
Abstract ........................................................................................................................................... 23
1.1. Introduction ........................................................................................................................ 24
1.2. Environmental Impact Assessment Tools ................................................................... 27
1.3. Stock and Flow Analysis Methods ................................................................................. 32
1.4. Agent-Based Models ......................................................................................................... 40
1.5. Discussion ........................................................................................................................... 43
1.6. Conclusion and perspectives ........................................................................................... 47
Chapter 2 .......................................................................................................................................... 49
Abstract ........................................................................................................................................... 50
2.1. Introduction ........................................................................................................................ 51
2.2. FAN Model Overview ....................................................................................................... 52
2.3. Process overview and scheduling ................................................................................... 57
2.4. Design Concepts ................................................................................................................ 63
2.5. Submodels ........................................................................................................................... 64
2.6. Input Data and Initialization ......................................................................................... 68
2.7. Comments on FAN processes ......................................................................................... 70
2.8. FAN Model Exploration ................................................................................................... 73
2.9. Conclusion ........................................................................................................................... 79
Chapter 3 .......................................................................................................................................... 81
Abstract ........................................................................................................................................... 82
3.1. Introduction ........................................................................................................................ 83
3.2. Materials and Methods .................................................................................................... 84
3.3. Results ................................................................................................................................. 96
3.4. Discussion and Conclusion ............................................................................................ 108
Discussion and Conclusion...................................................................................................... 111
Our approach in reference to the state of the art ................................................................ 112
Scientific fields and terminologies........................................................................................... 113